TOPICS Principle of „ Inflammation Inflammation – Inflammatory cells and Repair – Acute inflammation – Chronic inflammation

„ Tissue repair Natapol Supanatsetakul MD, PhD.

Department of Pathology Faculty of Medicine, Naresuan University

13 มกราคม 2557

INFLAMMATION 5 Cardinal signs of Inflammation

„ ปวด Pain (dolor) „ Complex reactions in response to injurious agents that affect the body, „ บวม Swelling (tumor) fundamentally a protective response „ แดง Redness (rubor) „ Inflammation consists of „ รอน Heat (calor) 1. Vascular response „ Loss of function 2. Cellular response สูญเสียหนาที่การทํางาน (Migration and activation of leukocytes) (functio laesa)

3. Systemic response „ Suffix –itis : Appendicitis, Myocarditis Otitis, Neuritis, etc.

1 „ Vascular and cellular reactions are mediated Inflammatory Cells by chemical factors, derived from plasma proteins or cells (Cytokines) and are „ Neutrophil produced in response to or activated by the „ Macrophage stimuli „ Lymphocyte „ Plasma cells „ Inflammation is divided into – Acute inflammation – Chronic inflammation

Neutrophils

„ เปนเซลลอักเสบ (inflammatory cells) ที่พบเปนสวนมากในการอักเสบ แบบเฉียบพลัน (Acute inflammation) โดยเฉพาะในชวง 6 -24 ชั่วโมง แรก จะมีการกระตุน และเพิ่มจํานวน มาในบริเวณที่เนื้อเยื่อเกิดการ บาดเจ็บ หรือการติดเชื้อ „ เปนเซลลเม็ดเลือดขาว (Leukocytes) ชนิดที่มีแกรนูลจําเพาะ (specific granules) มีขนาดเสนผานศูนยกลางประมาณ 10-15 μm หรือขนาดประมาณ 2 เทาของเม็ดเลือดแดง นิวเคลียสมีประมาณ 2-5 Neutrophil lobes โครมาตินติดสีเขมทึบ specific granule มีขนาดเล็ก ละเอียด ติด สีชมพูอมมวง เรียกวา Neutophilic granules

http://www.chronicprostatitis.com/images/neutrophil.jpg http://faculty.une.edu/com/abell/histo/neutrophil.jpg

2 Neutrophils in Tissue Macrophages

„ Macrophages (หรือเซลลที่เรียกวา monocytes ในขณะที่อยูในกระแสเลือด) เปนเซลลอักเสบ (inflammatory cells) ที่พบมากในการอักเสบแบบเรื้อรัง (chronic inflammation) โดยจะเริ่มเขามามีบทบาทในเนื้อเยื่อใน 24-48 ชั่วโมง ภายหลังจากการบาดเจ็บ „ ในเนื้อเยื่อ จะเห็น macrophages เปนเซลลขนาดใหญ มีนิวเคลียสเดี่ยว ภายใน cytoplasm จะประกอบดวยเศษซากเซลลที่ macrophages เก็บกินดวยวิธี phagocytosis „ Macrophages มีชื่อเรียกแตกตางกันตามชนิดของเนื้อเยื่อที่พบ เชน Kupffer cells ในเนื้อเยื่อตับ, alveolar macrophages ในเนื้อเยื่อปอด, microglial cells ในเนื้อเยื่อระบบประสาทสวนกลาง

Macrophages Lymphocytes

„ เปนเซลลอักเสบที่มีบทบาทในการอักเสบชนิดเรื้อรัง (chronic inflammation) และในระบบภูมิคุมกัน (immune system) โดยจะมีการ สงสัญญาณกระตุนซึ่งกันและกัน ระหวาง lymphocytes และ macrophages „ Small lymphocytes จะมีขนาดใหญกวาเม็ดเลือดแดงเล็กนอย นิวเคลียสมีขนาดใหญเกือบเต็มเซลล โครมาตินหยาบ ติดสีเขม และ เรียงตัวชิดติดกันแนน เซลลมี cytoplasm สีฟาออนใส ปริมาณนอยจน Monocyte in บางครั้งแทบมองไมเห็น cytoplasm ได blood smear

3 Lymphocytes Plasma cells

„ เปนเซลลที่พัฒนาจาก activated B lymphocytes ใหสามารถสราง และ หลั่ง antibody ออกมาจับกับ antigen ในเนื้อเยื่อที่เกิดกระบวนการ อักเสบ โดยเฉพาะในกระบวนการอักเสบแบบเรื้อรัง „ Plasma cells เปนเซลลที่มีขนาดประมาณ 2-3 เทาของเม็ดเลือดแดง นิวเคลียสรูปกลม หรือรูปไข คอนไปขางใดขางหนึ่งของเซลล (Eccentric nucleus) โครมาตินหยาบเปนปน พบลักษณะนิวเคลียสคลายซี่ลอเกวียน (cartwheel nucleus) cytoplasm มีปริมาณมาก ติดสีฟา และเห็น ชองวางขาวติดกับนิวเคลียส (perinuclear halo)

Plasma cells ACUTE INFLAMMATION

Rapid response to an injurious agent that serves to deliver mediators of host defense (leukocytes and plasma proteins) to the site of injury

4 Three majors components: Stimuli for Acute inflammation

1. Alterations on vascular caliber that lead „ Infections and microbial toxins to an increase in blood flow „ Trauma 2. Increase vascular permeability due to „ Physical and chemical agents vascular structural change that permits „ Tissue necrosis fluid, plasma protein (fibrin, complement) and leukocytes to leave the circulation „ Foreign bodies „ Immune reactions 3. Emigration of the leukocytes from the microcirculation to the stimulated site

Vascular Changes

„ Changes in vascular flow and caliber – Brief vasoconstriction and Vasodilation – Earliest manifestation of acute inflammation – Stasis Æ increased blood viscosity – Quickly followed by increased vascular permeability

„ Increased vascular permeability – Hallmark of acute inflammation – Protein and fluid leakage from the vascular lumen to the interstitial space

5 Extravascular fluid

„ Exudate : high protein concentration, turbid

„ Transudate : low protein concentration, clear

„ Pus or purulent exudate (หนอง) : leukocytes-rich exudate with cellular debris

Cellular Events

Migration of neutrophils to the site of injury :

„ Margination „ Rolling „ Adhesion „ Transmigration (diapedesis) „ Migration Æ chemotaxis

6 CHEMICAL MEDIATORS OF INFLAMMATION Chemical mediators

„ Vasoactive amines: Histamine „ Mediators originate either from plasma or from cells „ Plasma proteins: complement system, „ The production is triggers by microbial products or by host proteins, or by other chemical mediators kinin system, clotting and fibrinolytic system „ Mediators perform activity by binding their specific „ Arachidonic acid metabolites: prostaglandins, receptors (specificity) leukotrienes, thromboxanes „ One mediator can stimulate the release of other mediators (cascade) „ Cytokines and chemokines: Interleukin-1(IL-1), „ Mediators have different effects on different cell Tumor necrotic factor (TNF) types „ Nitric oxide (NO) „ Most mediators are short-lived

Effects of Chemical mediators

„ Pain: Prostaglandin, bradykinin „ Increased vascular permeability, edema „ Vasodilation: histamine, NO „ Fever, acute phase symptoms: IL-1, TNF „ Tissue damage „ Chemotaxis, leukocyte recruitment and activation

7 OUTCOME OF ACUTE INFLAMMATION

„ การหายเปนปกติ (Complete resolution)

„ การซอมแซม (Healing by connective tissue replacement, Fibrosis หรือ scar)

„ การอักเสบแบบเรื้อรัง (Chronic inflammation)

MORPHOLOGIC PATTERN OF ACUTE INFLAMMATION

„ Suppurative or purulent inflammation „ Serous inflammation – Inflammation with pus or purulent exudate – Burn formation – Inflammation in the body cavity – Acute appendicitis – Acute meningitis „ Fibrinous inflammation – Abscess : localized collections of purulent – Severe injury, results in greater vascular inflammatory tissue permeability – Fibrinopurulent inflammation – Leakage of fibrinogen (plasma protein)

8 Skin Abscess Abscess (ฝ)

„ Focal collection of pus (consisting of neutrophils, necrotic cells, and edema fluid)

„ Abscess has a central, largely necrotic region rimmed by a layer of preserved neutrophils, and completely walled off by connective tissue Lung abscess

http://missinglink.ucsf.edu/lm/DermatologyGlossary/img/ Dermatology%20Glossary/Glossary%20Clinical%20Images/Abscess.jpg http://www.microscopyu.com/galleries/pathology/index.html

Liquefactive necrosis : Lung abscess

„ Ulcers (acute or chronic) – Local defect or excavation of the surface of an organ or tissue – Epithelial layer (mucosa) is lost – Most common encounter in ƒ GI mucosa : oral ulcer, peptic ulcer ƒ Subcutaneous tissue : skin ulcer

เนื้อเยื่อปอดที่ตายจะมีการยอยสลายโดยเอนไซม hydrolase จากเซลล อักเสบ ทําใหเนื้อเยื่อเละ ไมเหลือเคาโครงเดิม

9 CHRONIC INFLAMMATION

Inflammation of prolonged duration (weeks or months) in which active inflammation, tissue destruction, and attempts at repair are proceeding simultaneously.

https://www.bcbsri.com/BCBSRIWeb/images/image_popup/r7_ulcers.jpg

Cause of chronic inflammation Morphologic features

„ Infiltration with mononuclear cells, including „ Persistent infection macrophages, lymphocytes and plasma cells (Acute inflammation = Neutrophils) „ Prolonged exposure to potentially toxic agents, either exogenous or endogenous „ Tissue destruction

„ Autoimmunity „ Healing by connective tissue replacement of damaged tissue (fibrosis, scar)

10 https://www.med.illinois.edu/m34/clerkships/surgery/student/other/path/slides/Cholelithiasis%20&%20Chronic%20Cholecystitis.jpg

Chronic cholecystitis Granuloma with gall stones

„ Granulomatous inflammation „ A distinctive pattern of chronic inflammation „ Characterized by +/- central caseous necrosis, activated epithelioid macrophage (histiocyte), multinucleated giant cells, and peripheral lymphocytes „ Mycobacterium tuberculosis infection, leprosy, Syphilis, Sarcoidosis Chronic hepatitis with progressive to cirrhosis

http://www.pathology.vcu.edu/education/gi/MacronodularCirrhosisHepatitisC.jpg

TB Granuloma http://www.pathologyatlas.ro/tuberculous-lymphadenitis-granuloma.php http://www.pathologyatlas.ro/tuberculous-lymphadenitis-granuloma.php

11 Granulomatous inflammation TOPICS Epithelioid histiocytes „ Inflammation Caseous – Acute inflammation necrosis – Chronic inflammation

„ Tissue repair

lymphocytes

TISSUE-PROLIFERATIVE ACTIVITY REPAIR „ Labile tissue (continuous dividing tissue) „ To restore the normal structure, functions – Epithelium (Epidermis, GI tract epithelium) and survival of the organism – Hematopoietic cells in bone marrow „ Stable tissue (quiescent tissue) –Liver „ Tissue-proliferative activity –Kidney – Mesenchymal tissue : fibroblasts, smooth muscle „ Permanent tissue (nondividing tissue) – Neuron and brain tissue – Cardiac and striated muscle

12 REPAIR

Type of Repair „ Regeneration (การงอกใหม) „ Healing with scar formation (การซอมแซมเนื้อเยื่อและเกิดแผลเปน) „ Fibrosis (tissue scar) (การเกิดแผลเปนพังผืด)

HEALING, SCAR FORMATION AND FIBROSIS

„ Induction of an inflammatory processes

„ Proliferation and migration of parenchymal and connective tissue cells

„ Formation of new blood vessels (angiogenesis) and granulation tissue

„ Hallmark of healing : proliferation of fibroblasts and endothelial cells to form granulation tissue

13 CUTANEOUS WOUND HEALING

„ Inflammatory process „ Granulation tissue formation „ Re-epithelialization „ Extracellular matrix deposition „ wound contraction and tissue remodeling

„ First intention wound Granulation tissue „ Second intention wound

HEALING BY FIRST INTENTION „ Day 5 : more granulation tissue formation and collagen synthesis, „ 24 hr : migration of neutrophils, bridge in the incision, epidermis recover re-epithelialization normal thickness

„ Day 3 : migration of macrophages, „ Week 2 : continue proliferation of granulation tissue formation, collagen fibroblasts and collagen deposition synthesis

„ 1 month : complete scar formation

14 HEALING OF SECOND INTENTION „ More inflammatory process „ More granulation tissue formation „ More wound contraction : myofibroblasts „ Thinning of new epithelium

WOUND STRENGTH „ 1 week : 10% „ 3 months : 70-80%

COMPLICATION IN CUTANEOUS References WOUND HEALING

„ สุภรณ พงศะบุตร, บรรณาธิการ, “ตําราพยาธิวิทยาทั่วไป.”, „ Inadequate formation of granulation ภาควิชาพยาธิวิทยาและนิติเวชศาสตร, โกลบอลพริ้นท, 2551, หนา tissue and scar formation 41-89. – Wound dehiscence (แผลแยก)

„ Excessive formation of the repair „ Kumar V., Cotran R.S., Robbins S.L., “Robbins Basic Pathology, th components 7 edition.” Saunders, 2003, p.33-78. – Hypertrophic scar –Keloid

„ Formation of contracture

15